李東海 張興華

摘 要:為了取得最大無模糊距離和最大無模糊速度,脈沖多普勒雷達(dá)必須選擇合適的一系列脈沖重復(fù)間隔值。從理論上探討了脈沖多普勒雷達(dá)最大無模糊距離和最大無模糊速度的制約因素,研究了對脈沖重復(fù)間隔進(jìn)行最優(yōu)化選擇的方法。研究結(jié)果表明,對于帶寬典型值為3 kHz,脈沖寬度典型值為3 μs的X波段雷達(dá),最佳脈沖重復(fù)間隔PRI為31.6 μs。當(dāng)脈沖重復(fù)間隔必須在若干個值之間轉(zhuǎn)換,以便探測目標(biāo)并消除模糊時,脈沖重復(fù)間隔可以近似為該值。

關(guān)鍵詞:脈沖多普勒;脈沖重復(fù)間隔;動目標(biāo)指示;雷達(dá)

中圖分類號:TP95 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-035-02

Optimization Choice of Pulse Doppler Radar′s Pulse Repetition Interval

LI Donghai,ZHANG Xinghua

(91 Branch,Navy Unit 91404,Qinhuangdao,066001,China)

Abstract:A series appropriate Pulse Repetition Interval(PRI)must be choosed to gain max non-illegibility distance and max non-illegibility velocity in PD radar.The restrict factors to max non-illegibility distance and max non-illegibility velocity of PD radar are discussed in theory and the method to the optimization choice of Pulse Repetition Interval is researched.The research result indicates that the best PRI is 31.6μs for X band radar of 3 kHz bandwidth,3 μs PW.The best PRI may ゛pproximate this value when PRI must be changed between several values to detective target and avoid distance illegibility.

Keywords:pulse doppler;pulse repetition interval;MTI;radar

現(xiàn)代多功能雷達(dá)系統(tǒng)在對目標(biāo)進(jìn)行探測時,在一次照射中一般使用多個脈沖重復(fù)間隔值(Pulse Repetition Interval,PRI)。這是當(dāng)今脈沖多普勒雷達(dá)的一個要求,即在每個相干處理間隔內(nèi),脈沖重復(fù)間隔保持不變[1]。對于動目標(biāo)指示雷達(dá)(Moving Target Indicating,MTI)設(shè)計而言,為了取得最大無模糊距離和最大無模糊速度,必須選擇合適的一系列脈沖重復(fù)間隔值,而且它們必須在一個處理間隔內(nèi)完成。這個重復(fù)的脈沖序列稱為重頻參差序列,參差序列的總周期稱為穩(wěn)定和。

1 MTI雷達(dá)的最大無模糊距離和速度

動目標(biāo)指示雷達(dá)的工作原理是雷達(dá)將一個脈沖重復(fù)間隔的回波與下一個脈沖重復(fù)間隔的回波在振幅和相位上相減。固定目標(biāo)具有相同的相位和振幅,因此可以對消。來自動目標(biāo)的回波通常具有不同的振幅和相位,因此不能對消[2]。在一個固定的脈沖重復(fù)間隔中,如果目標(biāo)移動的距離是雷達(dá)半波長的整數(shù)倍,第二個回波的相位將比第一個回波相移360°的整數(shù)倍,因而回波也被消除。這些速度稱為盲速,改變脈沖重復(fù)間隔將改變盲速。

脈沖重復(fù)間隔序列應(yīng)選擇成能夠探測到目標(biāo),并且在探測距離和目標(biāo)速度指標(biāo)上選擇最大無模糊值。雷達(dá)的探測距離和脈沖重復(fù)間隔成正比,雷達(dá)探測到的目標(biāo)速度與脈沖重復(fù)間隔成反比。為了在距離模糊和速度模糊之間權(quán)衡,需要使用多個脈沖重復(fù)間隔,并且還要使因發(fā)射脈沖或發(fā)射頻譜而遮蓋的目標(biāo)距離和速度變得可見[2]。

對于固定脈沖重復(fù)間隔和射頻,最大無模糊距離(Ru)和最大無模糊速度(Vu)由以下公式給出[3]:

Ru=c?PRI2

(1)

Vu=c2?RF?PRI

(2)

舉例說明:當(dāng)RF=10 GHz時:

PRI=1 000 μs,Ru=150 km,Vu=15 m/s;

PRI=100 μs,Ru=15 km,Vu=150 m/s;

PRI=10 μs,Ru=1.5 km,Vu=1 500 m/s。

可以看到,脈沖重復(fù)間隔變小,無模糊距離變小,無模糊速度變大,無模糊距離和速度的乘積是一個常量。這意味著總的模糊度是固定的,脈沖重復(fù)間隔的變化可以提高無模糊距離,卻降低了無模糊速度,反之亦然。這個常量可以表示為:

RuVu=c24?RF

(3)

可以看出,降低雷達(dá)載頻,可以提高此常量值。乘積RuVu可以大到使用低工作頻率要求的程度,然而低頻會使天線因體積變大而變得不實用。

脈沖重復(fù)間隔捷變的另一個原因是,如果雷達(dá)至目標(biāo)的距離是無模糊距離的任意整數(shù)倍,則不能接收到正在發(fā)射脈沖的返回回波。同樣,如果多普勒頻移是脈沖重復(fù)頻率(PRF=1/PRI)的任意整數(shù)倍,那么發(fā)射頻譜和固定雜波的回波將使目標(biāo)回波變得模糊,因而接收不到來自目標(biāo)的回波[4]。PD雷達(dá)必須選擇使雷達(dá)在所有感興趣的距離和速度上都能進(jìn)行正常探測的脈沖重復(fù)間隔序列。

2 高中低脈沖重復(fù)頻率選擇分析

一般來說,雷達(dá)可工作于三種脈沖重復(fù)頻率體制中的一種:低脈沖重復(fù)頻率、高脈沖重復(fù)頻率和中脈沖重復(fù)頻率。以下對三種脈沖重復(fù)頻率的使用效果進(jìn)行簡要分析:

低脈沖重復(fù)頻率意味著在發(fā)射下一個脈沖之前,在所有感興趣距離上的目標(biāo)回波都已返回,前提是距離測量是無模糊的。這種方式通常用于遠(yuǎn)程搜索雷達(dá)和各種簡單測距雷達(dá)。脈沖重復(fù)頻率的實際值取決于雷達(dá)探測目標(biāo)的距離,因此對于低脈沖重復(fù)頻率沒有特定的數(shù)值。對于典型的低脈沖重復(fù)頻率設(shè)計,脈沖重復(fù)頻率一般為幾百赫茲[5]。對于這種雷達(dá),感興趣的速度通常產(chǎn)生數(shù)倍于脈沖重復(fù)頻率的多普勒頻移,因此具有嚴(yán)重的速度模糊。當(dāng)然,如果雷達(dá)工作頻率足夠低,那么感興趣的多普勒頻移可以小于脈沖重復(fù)頻率,可以提供足夠大的無模糊速度和距離。

高脈沖重復(fù)頻率意味著,所有感興趣速度的目標(biāo)回波都具有小于脈沖重復(fù)頻率的多普勒頻移,因此速度的測量總是無模糊的[6]。脈沖重復(fù)頻率的值由射頻和感興趣的速度決定。對于典型的設(shè)計,脈沖重復(fù)頻率可以為幾十萬赫茲[7]。這通常用于機載雷達(dá),這種雷達(dá)根據(jù)多普勒濾波從雜波中區(qū)分目標(biāo)。對于大多數(shù)感興趣的距離,回波的延遲時間是脈沖重復(fù)間隔的許多倍,因此具有嚴(yán)重的距離測量模糊。

中脈沖重復(fù)頻率意味著在目標(biāo)回波返回時,已過去若干個脈沖重復(fù)間隔,并且大多數(shù)速度的多普勒頻移將比脈沖重復(fù)頻率大好幾倍,最終結(jié)果往往是距離和速度測量值都是模糊的。

3 PD雷達(dá)的PRI最優(yōu)化選擇

一部PD雷達(dá)可以具有全部這三種工作模式[8]。如果是高脈沖重復(fù)頻率,那么不僅距離測量是模糊的,而且回波可能被發(fā)射脈沖遮蓋。遮蓋的距離部分由脈沖寬度與脈沖重復(fù)間隔之比給出。即使對距離本身不感興趣,雷達(dá)設(shè)計者也必須確保目標(biāo)不因遮蓋而丟失,因此應(yīng)使用若干個脈沖重復(fù)間隔,以便無論距離是多少,至少用其中幾種脈沖重復(fù)間隔能夠探測到目標(biāo)。速度上未遮蓋的那些部分用式(4)表示[9]。

F1=1-PW/PRI

(4)

對于盲速也可以有類似的說明。有若干個帶寬(Be)處于數(shù)倍脈沖重復(fù)頻率的中心左右,在該帶寬內(nèi)發(fā)射的能量(或地雜波)將使多普勒頻移目標(biāo)回波變得模糊。模糊的速度部分為該帶寬與雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率之比。距離上未遮蓋的那些部分用式(5)表示[2]:

F2=1-Be/PRF

(5)

另外,雷達(dá)使用若干種脈沖重復(fù)頻率,以確保多普勒頻移回波在至少幾種脈沖重復(fù)頻率情況下是可見的,這是必要的[10]。為了探測目標(biāo),它必須在距離和速度上都是可見的。在任意距離和速度上都可見的目標(biāo)部分,由速度上未遮蓋的那些部分和距離上未遮蓋的那些部分之積給出,如下所示:

F=(1-PW/PRI)(1-Be/PRF)

(6)

將PRF=1/PRI代入式(6),F對脈沖重復(fù)間隔求微分,有:

F′=d(1-PW/PRI)(1-Be?PRI)/d(PRI)

(7)

設(shè)式(7)結(jié)果為0,求出最佳脈沖重復(fù)間隔等于:

PRI0=(PW/Be)1/2

(8)

X波段上雷達(dá)帶寬Be的典型值為3 kHz,典型脈沖寬度PW為3 μs,在這種情況下,最佳脈沖重復(fù)間隔PRI為31.6 μs,即最佳脈沖重復(fù)頻率PRF為31.6 kHz。由于脈沖寬度PW是一個標(biāo)準(zhǔn)的電子情報參數(shù),帶寬Be可以通過高分辨力的頻譜分析儀來估算,所以這個最佳脈沖重復(fù)間隔可以通過電子情報分析來估算。

4 結(jié) 語

以上分析的是中等脈沖重復(fù)頻率雷達(dá)的典型最優(yōu)化脈沖重復(fù)頻率選擇。當(dāng)脈沖重復(fù)間隔必須在若干個值之間轉(zhuǎn)換,以便探測目標(biāo)并消除模糊時,脈沖重復(fù)間隔可以近似該值。典型的多模雷達(dá)可以在一次探測目標(biāo)期間使用一組8種脈沖重復(fù)間隔。設(shè)計這樣的脈沖序列的目的是至少可以用8種脈沖重復(fù)間隔中的3種探測到目標(biāo),而不需考慮目標(biāo)的距離和速度如何。

參考文獻(xiàn)

[1]阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[2][美]Richard G Wiley.電子情報(ELINT):雷達(dá)信號截獲與分析[M].呂躍廣,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3]Vapnik V N.Statistical Learning Theory[M].New York:John Wiley& Sons,1998.

[4]林春應(yīng),王貴生,金耀星.雷達(dá)信號參數(shù)容差分析[J].艦船電子對抗,1997(4):27-31.

[5]Cristianini N,Shawe-Taylor J.An Introduction to Support Vector Machines and Other Kernel-based Learning ㎝ethods[M].Cambridge University Press,2000.

[6]鄧乃揚,田英杰.數(shù)據(jù)挖掘中的新方法——支持向量機.北京:科學(xué)出版社,2004.

[7]Ben-Hur A,Horn D,Siegelmann H T,et al.Support Vector Cflustering[J].Journal of Machine Learning Research,2001(2):125-137.

[8]國強.復(fù)雜環(huán)境下未知雷達(dá)輻射源信號分選的理論研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007.

[9]Ben-Hur A,Horn D,Siegelmann H T,et al.Support Vector Method for Hierarchical Clustering.Advances in Neural Information Processing Systems,2001,13:367-373.

[10]Burges C J C.A Tutorial on Support Vector Machines for Pattern Recognition[J].Data Mining and Knowledge Discovery,1998,2(2):955-974.

[11]賈世樓.信息論理論基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[12]國強,張興周,李崢.一種新的雷達(dá)全脈沖信號特征提取方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,38(1):130-133.

作者簡介 李東海 男,1975年出生,河北玉田人,工程師。研究方向為雷達(dá)對抗。